详情

原文传递车辆—桥梁/轨道系统耦合振动精细分析理论及应用

论文题名：	车辆—桥梁/轨道系统耦合振动精细分析理论及应用
关键词：	大跨度悬索桥;耦合振动;有限元法;轨道结构;铁路列车
摘要：	铁路列车的发展趋势是高速、重载、轻量化，这导致了更为突出的车辆—轨道动力相互作用问题，也促使了具有减振降噪性能的新型轨道结构的应用。与此同时，随着我国客运专线、高速铁路以及城市轨道交通建设的发展，一方面新型桥梁结构不断涌现以适应列车和线路发展，另一方面，某些既有和新建桥梁结构也成为整个线路中的薄弱环节。列车、轨道和桥梁结构的固有耦合特性要求将它们作为一个整体大系统加以考察。上述铁路交通的发展趋势引出了一些车辆—桥梁/轨道动力相互作用领域的精细化研究课题，如桥梁局部振动问题，柔性车体振动问题，以及车辆、轨道结构非线性振动问题。数值仿真计算是处理车辆—桥梁/轨道系统动力相互作用问题的重要手段。上述精细化研究课题的出现必然对车辆—桥梁/轨道系统耦合振动分析的数值仿真能力、仿真精度和计算效率提出更高的要求。然而，目前国内外提出的耦合振动计算方法往往在计算模型上采用了不同程度的简化，在计算理论上的针对性强而灵活性不足，从而限制了这些方法处理耦合振动领域新课题的能力，难以适用耦合振动精细化分析的发展趋势。针对目前已有数值计算方法的不足，为解决铁路交通发展带来的新课题，本文完善了车辆—桥梁/轨道系统耦合振动的精细分析方法并将之应用于一些实际工程，主要完成了以下几个方面的工作： (1)运用有限元方法建立桥梁/轨道模型和车辆模型，基于模态叠加方法分别形成车辆子系统和桥梁/轨道子系统的运动微分方程，可根据需要采用模态综合法和静力凝聚法缩减大型结构动力自由度，为实现系统精细化建模和分析提供基础。 (2)桥梁/轨道子系统和车辆子系统之间的联系通过轮轨三维滚动接触模型实现，既继承了传统的轮轨密贴模型，又应用了更为精细的轮轨非密贴接触模型。基于Kalker线性理论计算轮轨蠕滑力并采用Shen-Hedrick-Elkins理论对蠕滑力进行非线性修正。 (3)将各子系统非线性内力以及轮轨非线性接触力处理为虚拟激振力，解决传统模态叠加法在处理非线性问题上的不足，从考虑非线性的角度实现耦合振动的精细化分析。 (4)同时利用了基于Wilson-θ、Newmark-β和新型显式积分法的分离迭代算法以及基于Runge-Kutta的分离同步法求解系统运动微分方程，以满足不同的计算需要，并寻求最优的计算方案。 (5)运用谱半径理论分别对采用轮轨密贴接触模型和非密贴接触模型的耦合系统的迭代计算稳定性问题进行了理论分析，并提出了相应的解决和增强迭代稳定性的措施。 (6)根据以上理论方法，编制了车辆—桥梁/轨道耦合振动分析程序VBC2.0。采用了大量数值算例对分析理论和计算程序进行校核，并以香港青马大桥健康检测系统获取的实测数据为基础进行实测验证。 (7)运用本文理论方法和计算程序对列车作用下大跨度悬索桥振动问题，箱梁悬臂板局部振动问题、柔性车体振动问题以及轨道结构振动问题进行了精细分析。
作者：	李奇
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	陈艾荣;吴定俊
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学土木工程学院
学位年度：	2008
正文语种：	中文